旋风分离器内流场及性能参数影响研究

分类号 密级 UDC 学 位 论 文旋风分离器内流场及性能参数影响研究作者姓名： 谷指导教师： 张 副教授东北大学工程图学教学与研究中心申请学位级别： 硕 士 学科类别： 工 学学科专业名称： 机 械 设 计 及 理 论论文提交日期： 2008 年 6 月 论文答辩日期： 2008 年 6 月 学位授予日期： 2008 年 月 答辩委员会主席：评 阅 人：东 北 大 学2008 年 6 月A Dissertation in Mechanical Design and TheoryThe study of flow field in cyclone separator and influence of performance parametersby Gu DunSupervisor: Professor Zhang ZhenweiNortheastern UniversityFebruary 2008i 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年 学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：东北大学硕士学位论文 摘要ii旋风分离器内流场及性能参数影响研究摘要旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体微粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备；旋风分离器内部进行的是两相流运动，是气相和固体颗粒相的分离过程，而固体颗粒的运动在很大程度上取决于气流的运动。因此，掌握分离器内部气体的运动规律，是揭示颗粒运动规律的先决条件。充分认识分离器内部流场的速度、压力分布规律，以及性能参数对分离效率的影响，对提高分离器的性能、改进分离器的结构，具有重要的意义。本文利用 ANSYS 软件，以 CLK 型旋风分离器为研究对象，建立了物理模型，确定了合理的计算区域和边界条件，得到合理的计算网格文件；经过分析比较，确定了合适的数值模拟方案；利用 RNG k-湍流模型对旋风分离器气相流场进行了数值模拟，根据模拟分析，主要得出如下结论： （1）分离器内的气相主流是双层旋转流：在外侧下行流区，随着半径的增大，气体的流速也逐渐减小；在内侧的上行区域，中心处的流速较大，四周的流速相对较小。切向速度在径向分布上是外径区域速度大，内径区域速度较小，它的分布具有组合涡的特点，中间是准强制涡，外部是准自由涡。（2）分离器内流场的湍动能和湍动能耗散率两者沿半径方向基本上呈轴对称分布，在分离器上部分圆柱段分离空间的环形区域内最大；分离器内，进口部分的总压最高，排气管内总压最低；气流温度的分布与流场分布有着密切关系。（3）入口气流速度越大，压降越大；排气管的插入深度越大，压降越大；排气管的直径和入口气流温度越大，压降越小。本文的研究结论为优化 CLK 型旋风分离器的结构、使分离器有更高的分离效率、使分离器的压降进一步减少，以降低能耗，提供了重要的参考，具有一定的应用价值。关键词：旋风分离器，数值模拟，ANSYS ，流场，压降 东北大学硕士学位论文 Abstractiii The study of flow field in cyclone separator and influence of performance parametersAbstractCyclone separator is a kind of equipment that uses rotary motion of gas-solid two-phase fluid to make the solid particle separated from the gas flow by centrifugal force. It is two-phase fluid in the cyclone separator, it is a process of separation to make the solid particle separated from the gas flow, but the movement of solid particles mostly depends on the movement of gas. So it is a prerequisite of revealing the movement of particles to grasp the movement of gas. It is much more experiential to fully understand the velocity of flow field and pressure distribution and the influence of performance parameters , for increasing the capability of cyclone separator, improving the structure of separation.Based on the relative references and research findings, the motion rules and distributions of the particulates were simulated with commercial software ANSYS, determine a reasonable regional of calculation and boundary conditions, and choose a appropriate programmer of numerical simulation. To explore the flow pattern the RNG turbulent model is adopted. kBased on the result of numerical simulation, mostly draw the conclusion as following:(1) The main flow in cyclone separator is double vortex, outside of which is the revolved flow downwards, center of which is the revolved flow upwards, and their revolved direction is the same. The tangential velocity outside diameter regional in the radial direction is higher, the velocity of center is smaller. It has the characteristic of combination vortex. the inside is norm forced vortex, the outside is norm free vortex.(2)The distribution of turbulent kinetic energy and turbulent kinetic energy dissipation rate is axisymmetric. It is biggest in the region of the upper part of the column space. In cyclone separator, the total pressure in the inlet of separator is highest, and the total pressure in the exhaust pipe is smallest. The distribution of temperature is effected by the distribution of flow field.(3) With the addition of inlet velocity and the depth of exhaust pipe, the pressure-drop of 东北大学硕士学位论文 Abstractiv cyclone separator is increasing. With the addition of the bottom diameter of exhaust pipe and the gas temperatures, the pressure-drop of cyclone separator is reducing.The result of this paper can optimize the structure of cyclone separator on CLK style; it can provide important reference for improving separation efficiency of the cyclone separator, reducing the pressure drop and power consumption. It has a good value.Key words: cyclone separator, numerical simulation, ANSYS, flow field, pressure-drop东北大学硕士学位论文 目录v目 录独创性声明 .i摘要 .iiAbstract.iv第 1 章 绪论.11.1 基本结构和工作原理.11.2 研究背景和发展概况.31.2.1 研究背景 .31.2.2 发展概况 .41.3 旋风分离器内气相数值模拟研究的进展.51.4 对旋风分离器内的压损与减阻方面研究情况进展.71.5 对 CLK 型旋风分离器的研究现状.81.6 旋风分离器的性能指标.81.7 本课题的研究内容.11第 2 章 流场数值模拟的基本原理.122.1 引言.122.2 湍流流动的数值模拟方法.122.3 适用于旋风分离器流场计算的几种湍流模型.152.3.1 标准 k模型 .162.3.2 RNG 模型 .162.3.3 雷诺应力模型（RSM ） .172.4 离散方法.192.5 SIMPLE 算法的基本思想 .21第 3 章 旋风分离器的数值模拟理论基础.233.1 有限元软件 ANSYS 简介 .233.2 ANSYS/FLOTRAN 模块简介 .243.2.1 ANSYS/FLOTRAN 流场分析的功能 .243.2.2 FLOTRAN 单元的特点 .243.2.3 FLUID 单元的其他特征 .253.2.4 ANSYS FLOTRAN 流场分析的主要步骤 .263.3 有限元模型的建立.273.3.1 计算模型的几何结构 .273.3.2 三维计算域的分区组合网格生成 .28东北大学硕士学位论文 目录vi 3.3.3 边界与初始条件 .303.3.4 FLOTRAN 求解分析设置 .31第 4 章 CLK 型旋风分离器内单相流场的数值模拟研究.324.1 引言.324.2 湍流模型的选取.324.3 模拟流场的速度分布.334.3.1 切向速度分布 .374.3.2 轴向速度分布 .394.3.3 径向速度分布 .434.4 流场的湍动能和湍动能耗散率分析.444.5 分离器内压降的研究.464.6 分离器内温度的分布.484.7 小结.50第 5 章 影响 CLK 型旋风分离器性能的参数的模拟分析.515.1 引言.515.2 入口速度对压降的影响.515.3 温度对压降的影响.545.3 排气管插入深度对分离器压降的影响.575.4 排气管直径的大小对分离器压降的影响.605.5 小结.63第 6 章 结论和展望.646.1 结论.646.2 展望.64参考文献.66致谢.71东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 基本结构和工作原理旋风分离器是一种利用离心力将颗粒从气流中分离出来的气固分离装置。普通旋风分离器的结构如图 1.1 所示，一般都是由进气管、圆筒体、圆锥体、排气管和排尘管这几部分组成。各部分的结构都有多种形式，从而组成了各种类型的旋风分离器，但是它们的分离原理都是一样的，只是在性能上有些差异，从而来满足各种不同的需要。旋风分离器工作原理 1：当含有微粒的气体从入口管进入旋风分离器后，由于筒壁的约束作用，气流将由直线运动转变成圆周运动，旋转气流的绝大部分沿器壁成螺旋形向下，朝向锥体流动，通常称为外旋流。含有微粒的气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的微粒甩向器壁，微粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的初始动量随外螺旋气流沿壁面下落，最终进入微粒捕集腔。旋转向下的外旋气流在到达锥体时，因圆锥体形状的收缩，根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高（不考虑壁面摩擦损失） 。另一方面，外旋流旋转过程中使周边气流压力升高，在圆锥中心部位形成低压区，由于低压区的吸引，当气流到达锥体下端的某一位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋转方向在旋风分离器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为内旋流。最后，净化的气流经排气管排出分离器外，其中有一小部分未被捕集的微粒也由此逃出。气体中的微粒只要在气体旋转向上排出前能够碰到器壁，即可沿器壁滑落到微粒捕集腔，从而达到气固分离的目的。CLK 型（扩散式）旋风除尘器又称为倒锥体旋风除尘器，其结构形式如图 1.2 所示（图 1.2 中：1排气管，2进气管，3筒体，4锥体， 5反射屏，6灰斗） 。与一般旋风分离器不同的是，它加入了扩散段和反射屏，具有除尘效率高等优点。它的工作原理是：含尘气体经矩形进气管沿切向进入筒体，粉尘在离心力的作用下被抛向器壁，并随旋转气流向下旋转运动，大部分气流受反射屏的反射作用，旋转上升经排气管排出。小部分气流随粉尘经反射屏和锥体之间的环形缝隙进入灰斗，进入灰斗的气体速度降低，由于惯性作用，粉尘被捕集在灰斗内，气体则经反射屏的透气孔至排气管排出 2。东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论2(a) (b) 图 1.1 一般旋风分离器